JPH0914927A - Optical fiber strain sensor and its manufacturing method and method for measuring structure using optical fiber strain sensor - Google Patents
Optical fiber strain sensor and its manufacturing method and method for measuring structure using optical fiber strain sensorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバ−を利用
して構造物の変形量を測定するための光ファイバ−歪み
センサ−に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber-strain sensor for measuring the amount of deformation of a structure using an optical fiber.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光ファイバ−歪みセンサ−に関する従来
技術として、例えば特開昭６０−２１９５０３号公報に
は、パイプ状、棒状またはひも状の物体の外周面または
外周に形成された溝内に、光ファイバ−をスパイラル状
に巻き回したものが開示されている（以下、先行技術と
いう）。2. Description of the Related Art As a conventional technique relating to an optical fiber-strain sensor, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-219503 discloses that a pipe-shaped, rod-shaped, or string-shaped object has an outer peripheral surface or a groove formed on the outer peripheral surface thereof. A spirally wound optical fiber is disclosed (hereinafter referred to as prior art).
【０００３】図７は、先行技術に記載された光ファイバ
−歪みセンサ−を示す概略斜視図である。この光ファイ
バ−歪みセンサ−９は、パイプ８の外周面に光ファイバ
−２が所定ピッチＰでスパイラル状に巻き回わされ、光
ファイバ−２の両端にコネクタ−５を備えたものであ
る。また、図８は、図７に示した光ファイバ−歪みセン
サ−９をシステム化した例を説明する図である。光ファ
イバ−歪みセンサ−が取り付けられた構造物等が変形す
ると、これに伴い光ファイバ−２が変形し、この変形前
後における光伝送損失量の変化を検知し、この光伝送損
失量の変化量を用いて構造物等の変形量を求めようとす
るものである。FIG. 7 is a schematic perspective view showing an optical fiber-strain sensor described in the prior art. In this optical fiber-strain sensor 9, the optical fiber-2 is spirally wound around the outer peripheral surface of the pipe 8 at a predetermined pitch P, and connectors 5 are provided at both ends of the optical fiber-2. In addition, FIG. 8 is a diagram illustrating an example in which the optical fiber-strain sensor 9 illustrated in FIG. 7 is systematized. When the structure or the like to which the optical fiber-strain sensor is attached is deformed, the optical fiber-2 is deformed accordingly, and the change in the amount of optical transmission loss before and after this deformation is detected, and the amount of change in the amount of optical transmission loss is detected. Is used to obtain the amount of deformation of a structure or the like.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記先行技術に記載さ
れた光ファイバ−歪みセンサ−は、パイプ状、棒状また
はひも状の物体の外周面に、光ファイバ−をスパイラル
状に巻き回すものであり、当該測定前における光ファイ
バ−の曲率（以下、「初期曲率」という）はパイプ等の
外径と光ファイバ−のピッチに応じて決まる。しかしな
がら、このような製作方法および構造の光ファイバ−歪
みセンサ−においては、パイプ８の外周面に巻いただけ
では、等ピッチに設定したくても位置が決まらず、バラ
ツキをもった初期曲率となることが推測される。従っ
て、スパイラルのピッチを精度よく形成することが困難
である。The optical fiber-strain sensor described in the above prior art is one in which an optical fiber is spirally wound around the outer peripheral surface of a pipe-shaped, rod-shaped or string-shaped object. The curvature of the optical fiber before the measurement (hereinafter referred to as “initial curvature”) is determined according to the outer diameter of the pipe or the like and the pitch of the optical fiber. However, in the optical fiber-strain sensor-having such a manufacturing method and structure, the position cannot be determined even if it is desired to set an equal pitch by merely winding it on the outer peripheral surface of the pipe 8, and the initial curvature has variations. It is speculated that Therefore, it is difficult to accurately form the spiral pitch.
【０００５】これに対して、パイプ等の外周面に溝を形
成し、この溝内に光ファイバ−をスパイラル状に巻き回
して製作する場合には、初期曲率を精度よく設定するこ
とはできるであろうが、変形後の光ファイバ−の曲率
は、溝の拘束を受け、光伝送損失量から構造物の変形量
や歪みを求めることが困難であった。更に、変形時に溝
の中を光ファイバ−が摺動するわけではないので、光フ
ァイバ−自体に応力が発生し、光ファイバ−が破断した
り、屈曲したりする可能性もあった。On the other hand, when a groove is formed on the outer peripheral surface of a pipe or the like and the optical fiber is wound in a spiral shape in the groove, the initial curvature cannot be set accurately. However, the curvature of the deformed optical fiber is restricted by the groove, and it is difficult to obtain the deformation amount or strain of the structure from the optical transmission loss amount. Further, since the optical fiber does not slide in the groove at the time of deformation, stress may be generated in the optical fiber itself and the optical fiber may be broken or bent.
【０００６】また、光伝送損失量から歪みを正確に求め
るためには、光ファイバ−歪みセンサ−の構造物への取
り付け方法が重要であるが、これについて先行技術には
特に開示はされていない。Further, in order to accurately obtain the strain from the amount of optical transmission loss, the method of attaching the optical fiber-strain sensor to the structure is important, but this is not disclosed in the prior art. .
【０００７】従って、この発明の目的は、上記のような
問題を解決することによって、光伝送損失量から構造物
の変形量および歪みを精度よく求めることができ、しか
も、所望の歪み測定範囲およびセンサ−感度を有し、更
に、構造物への取り付けを容易に行なうことができる光
ファイバ−歪みセンサ−およびその製造方法並びに光フ
ァイバ−歪みセンサ−を用いた構造物の歪み測定方法を
提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, so that the deformation amount and strain of a structure can be accurately obtained from the amount of optical transmission loss, and the desired strain measurement range and Provided are an optical fiber-strain sensor having sensitivity to a sensor and capable of being easily attached to a structure, a manufacturing method thereof, and a strain measuring method of a structure using the optical fiber-strain sensor. Especially.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】この発明の光ファイバ−
歪みセンサ−（以下、「第１発明」という）は、金属管
と前記金属管の内周面に密着してスパイラル状に形成さ
れた光ファイバ−とからなることに特徴を有するもので
ある。なお、この明細書において、光ファイバ−とは、
特に断らない限り、光ファイバ−素線の表面を１種また
は２種以上の被覆材によって被覆されたものをいうもの
とする。The optical fiber of the present invention
The strain sensor (hereinafter, referred to as “first invention”) is characterized by comprising a metal tube and an optical fiber formed in a spiral shape so as to be in close contact with the inner peripheral surface of the metal tube. In this specification, the optical fiber is
Unless otherwise specified, the surface of the optical fiber-element wire is one coated with one or more coating materials.
【０００９】この発明の光ファイバー歪みセンサーの製
造方法（以下、「第２発明」という）は、第１発明の光
ファイバ−歪みセンサーの製造方法であって、前記光フ
ァイバ−歪みセンサーの所望の歪み測定範囲
（εrange ）およびセンサー感度（ｓ）が得られるよう
に、前記金属管の長さ（Ｌ）、前記金属管の内径
（Ｄ）、前記光ファイバ−の長さ（Ｌf ）、前記光ファ
イバ−の直径（ｄ）、前記金属管の歪み（ε）、前記光
ファイバ−の曲率半径（Ｒ）および前記光ファイバ−の
光伝送損失量（α）との間で成り立つ関係式に基づき、
前記金属管の長さ（Ｌ）、前記金属管の内径（Ｄ）、前
記光ファイバ−の長さ（Ｌf ）および前記光ファイバ−
の直径（ｄ）を決定することに特徴を有するものであ
る。A method of manufacturing an optical fiber strain sensor of the present invention (hereinafter referred to as "second invention") is a method of manufacturing an optical fiber-strain sensor of the first invention, wherein a desired strain of the optical fiber-strain sensor is obtained. The length of the metal tube (L), the inner diameter of the metal tube (D), the length of the optical fiber (L f ), and the measurement range (ε range ) and the sensor sensitivity (s) are obtained. Based on a relational expression that holds among the diameter (d) of the optical fiber, the strain (ε) of the metal tube, the radius of curvature (R) of the optical fiber, and the optical transmission loss amount (α) of the optical fiber. ,
The length (L) of the metal tube, the inner diameter (D) of the metal tube, the length ( Lf ) of the optical fiber and the optical fiber
It is characterized by determining the diameter (d) of the.
【００１０】この発明の別の光ファイバー歪みセンサー
の製造方法（以下、「第３発明」という）は、第１発明
の光ファイバ−歪みセンサーの製造方法であって、前記
光ファイバ−歪みセンサーの所望の歪み測定範囲（ε
range ）およびセンサー感度（ｓ）が得られるように、
前記金属管の長さ（Ｌ）、前記金属管の内径（Ｄ）、前
記光ファイバ−の長さ（Ｌf ）、前記光ファイバ−の直
径（ｄ）、前記金属管の歪み（ε）、前記光ファイバ−
の曲率半径（Ｒ）および前記光ファイバ−の光伝送損失
量（α）との間で成り立つ関係式に基づき、前記金属管
の長さ（Ｌ）、前記金属管の内径（Ｄ）および前記光フ
ァイバ−の初期曲率半径（Ｒ0 ）を決定することに特徴
を有するものである。Another method of manufacturing an optical fiber strain sensor of the present invention (hereinafter referred to as "third invention") is a method of manufacturing an optical fiber strain sensor of the first invention, wherein the optical fiber strain sensor is desired. Strain measurement range (ε
range ) and sensor sensitivity (s),
The length (L) of the metal tube, the inner diameter (D) of the metal tube, the length (L f ) of the optical fiber, the diameter (d) of the optical fiber, the strain (ε) of the metal tube, The optical fiber
Based on a relational expression between the radius of curvature (R) and the amount of optical transmission loss (α) of the optical fiber, the length (L) of the metal tube, the inner diameter (D) of the metal tube, and the light. It is characterized by determining the initial radius of curvature (R 0 ) of the fiber.
【００１１】この発明の光ファイバ−歪みセンサ−の製
造方法（以下、「第４発明」という）は、所定長さの光
ファイバ−を、所定長さの金属管の一端から他端に向け
て前記金属管の内周面に密着させてスパイラル状に形成
させつつ挿入し、前記金属管の前記他端において前記光
ファイバ−の挿入の先端を受け止め、前記光ファイバ−
の挿入の後端を前記金属管の前記一端で押し止め、この
ようにしてスパイラル状に形成される前記光ファイバ−
の初期曲率半径を目標の設計値に調節することによっ
て、前記金属管内部にスパイラル状に形成された前記光
ファイバ−を内接させることに特徴を有するものであ
る。In the method for manufacturing an optical fiber-strain sensor of the present invention (hereinafter referred to as "the fourth invention"), an optical fiber having a predetermined length is directed from one end of a metal tube having a predetermined length to the other end. The metal tube is inserted into the inner peripheral surface of the metal tube while being in close contact with the inner peripheral surface of the metal tube, and the other end of the metal tube receives the insertion tip of the optical fiber.
The rear end of the optical fiber is pressed by the one end of the metal tube, and thus the optical fiber formed in a spiral shape is
It is characterized in that the optical fiber formed in a spiral shape inside the metal tube is inscribed by adjusting the initial radius of curvature to a target design value.
【００１２】この発明の光ファイバ−歪みセンサ−を用
いた構造物の歪み測定方法（以下、「第５発明」とい
う）は、上述した第１発明の光ファイバ−歪みセンサ−
を測定対象物の表面に対して溶接によって取り付け、こ
のようにして取り付けられた前記光ファイバ−歪みセン
サ−を用いることに特徴を有するものである。The method of measuring strain of a structure using the optical fiber-strain sensor of the present invention (hereinafter referred to as "fifth invention") is an optical fiber-strain sensor of the first invention described above.
Is attached to the surface of the object to be measured by welding, and the optical fiber-strain sensor thus attached is used.
【００１３】[0013]
【作用】請求項１記載の発明の特徴は、金属管の内周面
に密着して光ファイバ−がスパイラル状に形成され、こ
の光ファイバ−は所定の内径の金属管の内部に挿入され
ている。このように、センサ−部分の金属管の内部に光
ファイバ−をスパイラル状に形成するためには、この金
属管の長さよりも、長い光ファイバ−をこの金属管の内
部に挿入すればよい。このように挿入された光ファイバ
−は、金属管の内壁に沿ってスパイラル状をなし、自ず
からそのピッチおよび曲率を一定とする安定状態をと
る。従って、光ファイバ−を所定の形態に形成すること
ができる。According to a first aspect of the present invention, an optical fiber is formed in a spiral shape so as to be in close contact with an inner peripheral surface of a metal tube, and the optical fiber is inserted into a metal tube having a predetermined inner diameter. There is. As described above, in order to form the optical fiber spirally inside the metal tube of the sensor portion, an optical fiber longer than the length of the metal tube may be inserted into the metal tube. The optical fiber thus inserted has a spiral shape along the inner wall of the metal tube, and naturally assumes a stable state in which its pitch and curvature are constant. Therefore, the optical fiber can be formed into a predetermined shape.
【００１４】請求項１記載の光ファイバ−歪みセンサ−
の金属管は、測定対象物の変形に伴い変形し、この金属
管の変形に追従して光ファイバ−の曲率半径が変化す
る。従って、この光ファイバ−歪みセンサ−の金属管
を、測定対象物に適正な方法で固定すれば、測定対象物
の変形に伴う歪みは正確に金属管に歪みを生じさせ、こ
れに伴い光ファイバ−の曲率半径が正確に変化する。従
って、光ファイバ−の光伝送損失量の変化も正確とな
る。光伝送損失量の変化を測定することによって、金属
管の歪みが測定され、従って、測定対象物の歪みおよび
変形量が測定される。An optical fiber according to claim 1 -a strain sensor-
The metal tube is deformed along with the deformation of the object to be measured, and the radius of curvature of the optical fiber changes following the deformation of the metal tube. Therefore, if the metal tube of the optical fiber-strain sensor is fixed to the measurement object by an appropriate method, the distortion caused by the deformation of the measurement object causes the metal tube to be accurately distorted, and the optical fiber accordingly. The radius of curvature of − changes accurately. Therefore, the change in the amount of optical transmission loss of the optical fiber is also accurate. By measuring the change in the amount of optical transmission loss, the strain of the metal tube is measured, and thus the strain and deformation amount of the measurement object are measured.
【００１５】請求項５記載の発明の特徴は、この発明の
光ファイバ−歪みセンサ−を測定対象物の表面に対して
溶接によって取り付け固定するので、上述したように、
測定対象物の歪みが正確に光ファイバ−の曲率半径を変
化させる。According to a fifth aspect of the present invention, since the optical fiber-strain sensor of the present invention is attached and fixed to the surface of the object to be measured by welding, as described above,
The distortion of the measuring object accurately changes the radius of curvature of the optical fiber.
【００１６】請求項４記載の発明の特徴は、所定長さの
光ファイバ−を、所定長さの金属管の一端から他端に向
けて金属管の内周面に密着させてスパイラル状に形成さ
せつつ挿入し、金属管の他端において光ファイバ−の挿
入の先端を受け止め、光ファイバ−の挿入の後端を金属
管の一端で押し止める。このようにしてスパイラル状に
形成される光ファイバ−の初期曲率半径を目標の設計値
に調節する。従って、この製造方法は、金属管の内部に
光ファイバ−が挿入されたとき、光ファイバ−が金属管
内で安定状態を保持することを利用して行なうものであ
る。従って、光ファイバ−の曲率半径およびピッチが一
定となる。According to a fourth aspect of the present invention, an optical fiber having a predetermined length is formed into a spiral shape by adhering to the inner peripheral surface of the metal tube from one end to the other end of the metal tube having a predetermined length. While inserting the optical fiber, the other end of the metal tube receives the tip of the insertion of the optical fiber, and the rear end of the insertion of the optical fiber is pressed by one end of the metal tube. In this way, the initial radius of curvature of the spirally formed optical fiber is adjusted to a target design value. Therefore, this manufacturing method utilizes the fact that the optical fiber maintains a stable state in the metal tube when the optical fiber is inserted into the metal tube. Therefore, the radius of curvature and the pitch of the optical fiber are constant.
【００１７】センサ−性能 光ファイバ−歪みセンサ−が具備する性能を、下記２つ
によって表わすことができる。即ち、測定することがで
きる歪みの範囲（以下、「歪み測定可範囲
（εrange ）」という）およびセンサ−の感度（以下、
「センサー感度（ｓ）という）である。Sensor-Performance The performance of the optical fiber-strain sensor can be represented by the following two. That is, the range of strain that can be measured (hereinafter, referred to as “distortion measurable range (ε range )”) and the sensitivity of the sensor (hereinafter,
“Sensor sensitivity (s)”.
【００１８】請求項２記載の製造方法は、上述したよう
に、所定の内径および長さの金属管内に所定長さの光フ
ァイバ−がスパイラル状に内接した状態のものを製造す
る方法であるから、金属管の長さ（Ｌ）、光ファイバ−
の長さ（Ｌf ）、金属管の内径（Ｄ）および光ファイバ
−の直径（ｄ）を決定すれば、上記ＬとＬf とｄとＤ
と、更に金属管の歪み（ε）と、光ファイバ−の曲率半
径（Ｒ）との間の関係式において、歪みε＝０とおくこ
とによって光ファイバ−の初期曲率半径（Ｒ0 ）を算定
することができる。As described above, the manufacturing method according to the second aspect is a method for manufacturing a state in which a metal tube having a predetermined inner diameter and a length is inscribed in a spiral shape with an optical fiber of a predetermined length. From the length of the metal tube (L), optical fiber-
(L f ), the inner diameter (D) of the metal tube and the diameter (d) of the optical fiber are determined, the above L, L f , d and D are determined.
In addition, in the relational expression between the strain (ε) of the metal tube and the radius of curvature (R) of the optical fiber, the strain ε = 0 is set to calculate the initial radius of curvature (R 0 ) of the optical fiber. can do.
【００１９】例えば、前述の関係式として、下記（１）
式： 但し、 Ｒ：曲率半径 Ｌ：金属管の長さ Ｌf ：光ファイバ−の長さ Ｄ：金属管の内径 ｄ：光ファイバ−の外径 ε：金属管の歪み（引張の場合は正、圧縮の場合は負） があり、ε＝０とおいて得られる下記（１’）式： 但し、 Ｒ0 ：初期曲率半径 に、Ｌ、Ｌf 、ｄおよびＤを代入することによって、光
ファイバ−の初期曲率半径Ｒ0 が求められる。For example, as the above-mentioned relational expression, the following (1)
formula: However, R: radius of curvature L: length of metal tube L f : length of optical fiber D: inner diameter of metal tube d: outer diameter of optical fiber ε: strain of metal tube (positive in tension, compression In the case of, the following formula (1 ′) obtained with ε = 0 holds: However, by substituting L, L f , d, and D into R 0 : initial radius of curvature, the initial radius of curvature R 0 of the optical fiber can be obtained.
【００２０】また、光ファイバ−歪みセンサ−のＬ、Ｌ
f 、ｄおよびＤが決まると、光ファイバ−の巻き回数
（Ｎ）およびピッチ（ｐ）が、下記（２）および（３）
式： Ｎ ＝｛（Ｌf 2 −Ｌ 2）1/2 ｝／π（Ｄ−ｄ） ------------（２） ｐ ＝Ｌ／Ｎ --------------------------------------------（３） に基づき算出される。このようにして、光ファイバ−歪
みセンサ−の「寸法・形状諸元」：Ｌ、Ｌf、ｄ、Ｄ、
Ｒ0 、Ｎおよびｐが決まる。Further, L, L of the optical fiber--strain sensor--
When f , d, and D are determined, the number of turns (N) and the pitch (p) of the optical fiber are set to the following (2) and (3).
Formula: N = {(L f 2 -L 2) 1/2} / π (D-d) ------------ (2) p = L / N ------ -------------------------------------- Calculated based on (3). In this way, the "dimensions / shapes" of the optical fiber-strain sensor: L, Lf , d, D,
R 0 , N and p are determined.
【００２１】次に、光ファイバ−の光伝送損失量（α）
と光ファイバ−の曲率半径（Ｒ）との間の関係は、原理
的にもまた実験的にも知られている。例えば、下記
（４）式： α ≒８０Ｒ-1.9 --------------------------------------- （４） 但し、 Ｒ：曲率半径（ｍｍ） α：光伝送損失量（ｄＢ） がある。Next, the optical transmission loss amount (α) of the optical fiber
The relationship between the radius of curvature (R) of the fiber and the optical fiber is known both in principle and experimentally. For example, the following formula (4): α ≈ 80R -1.9 ------------------------------------- -(4) However, there is R: radius of curvature (mm), α: amount of optical transmission loss (dB).
【００２２】センサ−感度（ｓ） 今、光ファイバ−センサーのセンサ−感度（ｓ）を、下
記（５）式： ｓ ≡｜Δ（Δα）／Δε｜ε=0 --------------------------（５） で表わすとすれば、（４）、（１）および（１’）式か
ら、 が誘導される。従って、（６）式の初期曲率半径Ｒ
0 に、（１’）式に基づいて算出される初期曲率半径Ｒ
0 を代入することで、Ｌ、Ｌf 、Ｄおよびｄよりセンサ
−感度（ｓ）が求まる。Sensor-sensitivity (s) Now, the sensor-sensitivity (s) of the optical fiber sensor is calculated by the following equation (5): s≡ | Δ (Δα) / Δε | ε = 0 = 0 ------------------- If expressed by (5), from equations (4), (1) and (1 '), Is induced. Therefore, the initial radius of curvature R in equation (6)
0 , the initial radius of curvature R calculated based on the equation (1 ')
By substituting 0 , the sensor sensitivity (s) can be obtained from L, L f , D and d.
【００２３】歪み測定範囲（εrange ） 歪み測定可能最大値（εmax ）は、引張変形の場合は、
光ファイバ−の長さと同じ長さまで金属管が伸ばされた
時であり、下記（８）式： εmax ,t＝（Ｌf −Ｌ）／Ｌ ----------------------------- （８） で表わされる。また、圧縮変形の場合は、スパイラル状
の光ファイバ−が互いに接触する状態まで金属管が圧縮
された時であり、下記（８’）式： で表わされる。従って、金属管の長さ（Ｌ）、光ファイ
バ−の長さ（Ｌf ）、金属管の内径（Ｄ）および光ファ
イバ−の直径（ｄ）より、（８）および（８’）式に基
づいて歪み測定範囲（εrange ）が下記（９）式： のように決まる。Strain measurement range (εrange) Maximum value of strain measurement (εmax) Is for tensile deformation,
The metal tube was stretched to the same length as the optical fiber
It is time, and the following formula (8): εmax, t= (Lf-L) / L ----------------------------- Represented by (8). In the case of compression deformation, spiral shape
The metal tube is compressed until the optical fibers of the
The following formula (8 '): Is represented by Therefore, the length (L) of the metal tube, the optical fiber
Bar length (Lf), Inner diameter of metal tube (D) and optical fiber
From the diameter (d) of the aver, based on the equations (8) and (8 '),
Strain measurement range (εrange) Is the following formula (9):It is decided like.
【００２４】請求項３記載の製造方法も、請求項２記載
の製造方法と同様、所定の内径および長さの金属管内に
所定長さの光ファイバ−がスパイラル状に内接した状態
のものを製造する方法であるから、金属管の長さ
（Ｌ）、光ファイバ−の長さ（Ｌf ）、および光ファイ
バ−の初期曲率半径（Ｒ0 ）を定めると、上記ＬとＬf
とＲ0 と金属管の内径（Ｄ）と光ファイバ−の直径
（ｄ）との間の関係式から、Ｄおよびｄの値が算定され
る。The manufacturing method according to claim 3 is also the same as the manufacturing method according to claim 2, in which a metal tube having a predetermined inner diameter and length is inscribed in a spiral shape with an optical fiber of a predetermined length. Since it is a manufacturing method, when the length (L) of the metal tube, the length (L f ) of the optical fiber, and the initial radius of curvature (R 0 ) of the optical fiber are determined, the above L and L f are determined.
And R 0 , the inner diameter (D) of the metal tube and the diameter (d) of the optical fiber are used to calculate the values of D and d.
【００２５】例えば、前記（１’）式： 但し、Ｒ0 ：初期曲率半径 において、Ｌ、Ｌf およびＲ0 を代入することによっ
て、金属管の内径（Ｄ）と光ファイバ−の直径（ｄ）と
の差（Ｄ−ｄ）を算定することができる。従って、Ｄお
よびｄは一定の制約条件の下で決まる。For example, the above formula (1 '): However, in R 0 : initial radius of curvature, by substituting L, L f, and R 0 , the difference (D−d) between the inner diameter (D) of the metal tube and the diameter (d) of the optical fiber is calculated. be able to. Therefore, D and d are determined under certain constraints.
【００２６】次いで、上記Ｌ、Ｌf 、Ｄ、およびｄを前
記（２）および（３）式に代入することによって、セン
サ−部分の光ファイバ−の巻き回数（Ｎ）およびピッチ
（ｐ）が決まる。このようにして光ファイバ−歪みセン
サ−の寸法・形状諸元が決まると、上述したように
（６）および（９）式からセンサ−の性能が決定され
る。Then, by substituting the above L, L f , D, and d into the above equations (2) and (3), the number of turns (N) and the pitch (p) of the optical fiber of the sensor part can be determined. Decided. When the dimensions and shape of the optical fiber-strain sensor are determined in this manner, the performance of the sensor is determined from the equations (6) and (9) as described above.
【００２７】一般に、光ファイバ−歪みセンサ−を製造
する場合、その寸法・形状諸元の設定値に基づき光ファ
イバ−歪みセンサ−を製造する。しかしながら、実際に
は、センサ−性能が所望の値になるように寸法・形状諸
元を定め、次いで光ファイバ−歪みセンサ−の製造にと
りかかる。請求項２および請求項３記載の発明において
も、上述したセンサ−性能が決まる工程を逆にたどるこ
とによって、はじめに所望のセンサ−性能を決め、これ
に基づいて寸法・形状諸元を決定し製造段階に入る。Generally, when manufacturing an optical fiber-strain sensor, the optical fiber-strain sensor is manufactured based on the set values of the dimensions and shape specifications. However, in reality, the dimensions and shape of the sensor are set so that the performance of the sensor is a desired value, and then the production of the optical fiber-strain sensor is started. Also in the inventions described in claims 2 and 3, the desired sensor performance is first determined by reversing the above-mentioned steps in which the sensor performance is determined, and the dimensions and shape parameters are determined based on this. Enter the stage.
【００２８】この発明の光ファイバ−歪みセンサ−およ
びその製造方法は上述したとおりであるから、測定対象
物と測定目的等に適した光ファイバ−歪みセンサ−を製
造することができ、しかも、この発明の光ファイバ−歪
みセンサ−を用いた構造物の歪み測定方法により、測定
対象物の歪みおよび変形量を精度よく、正確に測定する
ことができる。なお、（６）式から明らかなように、セ
ンサ−感度を高く設定する場合は、初期曲率半径を小さ
くし、逆にセンサ−感度を低くする場合には、初期曲率
半径を大きくすればよい。Since the optical fiber-strain sensor of the present invention and the method of manufacturing the same are as described above, it is possible to manufacture an optical fiber-strain sensor suitable for the object to be measured and the purpose of measurement, and moreover, By the method of measuring strain of a structure using the optical fiber-strain sensor of the present invention, the strain and deformation amount of the measurement object can be measured accurately and accurately. As is clear from the equation (6), when the sensor-sensitivity is set high, the initial radius of curvature is made small, and conversely, when the sensor-sensitivity is made low, the initial radius of curvature is made large.
【００２９】[0029]
【実施例】次に、この発明の光ファイバ−歪みセンサ−
を実施例により、図面を参照して更に説明する。EXAMPLE Next, the optical fiber of the present invention-a strain sensor-
Will be further described by way of examples with reference to the drawings.
【００３０】図１は、この発明の光ファイバ−歪みセン
サ−の一実施態様を示す概略縦断面図、図２は、図１の
ＡＡ線断面図である。FIG. 1 is a schematic vertical sectional view showing an embodiment of the optical fiber-strain sensor of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA of FIG.
【００３１】図１および図２において、１’は、光ファ
イバ−歪みセンサ−であって、金属管１の内部にスパイ
ラル状の光ファイバ−２が内接して挿入されている。金
属管１は、例えばステンレス製であり、管内径は１〜２
ｍｍ、管厚は０．１〜０．２ｍｍである。光ファイバ−
２は、単一モ−ドであっても、多モ−ドであってもよ
く、光ファイバ−２は、光ファイバ−素線の全表面を所
謂一次被覆材（図示せず）で被覆されている。但し、被
覆材の材質を限定するものではない。所望のセンサ−性
能を決めた後、光ファイバ−歪みセンサ−１’の寸法・
形状諸元を上述した方法で決める。なお、同図に示した
光ファイバ−歪みセンサ−１’の光ファイバ−２に関し
ては、初期曲率半径を所定の値に設定することに最大の
特徴がある。In FIGS. 1 and 2, reference numeral 1'denotes an optical fiber-strain sensor, in which a spiral optical fiber-2 is inscribed and inserted inside the metal tube 1. The metal tube 1 is made of stainless steel, for example, and has an inner diameter of 1 to 2
mm, the tube thickness is 0.1 to 0.2 mm. Optical fiber
2 may be a single mode or multiple modes, and the optical fiber-2 is coated with a so-called primary coating material (not shown) on the entire surface of the optical fiber-element wire. ing. However, the material of the covering material is not limited. After determining the desired sensor-performance, the dimensions of the optical fiber-strain sensor-1 '
The shape specifications are determined by the method described above. The optical fiber-2 of the optical fiber-strain sensor-1 'shown in the figure is most characterized in that the initial radius of curvature is set to a predetermined value.
【００３２】図３は、この発明の光ファイバ−歪みセン
サ−１’が長さ方向に引張力Ｔをうけて引張変形した場
合の、初期状態に対する変形状態を示す概略縦断面図で
あり、図４は、この発明の光ファイバ−歪みセンサ−
１’が長さ方向に圧縮力Ｃを受けて圧縮変形した場合
の、初期状態に対する変形状態を示す概略縦断面図であ
る。FIG. 3 is a schematic vertical sectional view showing a deformed state with respect to an initial state when the optical fiber-strain sensor-1 'of the present invention is subjected to tensile deformation in the longitudinal direction by a tensile force T. 4 is an optical fiber of the present invention-a strain sensor-
FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view showing a deformed state with respect to an initial state when 1 ′ receives a compressive force C in the length direction and is deformed by compression.
【００３３】光ファイバ−２の曲率半径は、引張変形に
よって初期曲率半径Ｒ0 から引張変形後の曲率半径Ｒt
に変化し、また、圧縮変形によって初期曲率半径Ｒ0 か
ら圧縮変形後の曲率半径Ｒc に変化する。この場合、初
期の曲率半径Ｒ0 は、例えば、下記（１’）式： で表され、また、Ｒt またはＲc と金属管１の歪みε
（引張の場合は正、圧縮の場合は負）との関係は、例え
ば、下記（１tc）式： 但し、Ｄ：金属管１の内径 ｄ：光ファイバ−２の外径 Ｌ：金属管１の長さ Ｌf ：光ファイバ−２の長さ で表わされる。The radius of curvature of the optical fiber-2 varies from the initial radius of curvature R 0 due to tensile deformation to the radius of curvature R t after tensile deformation.
Further, due to the compressive deformation, the initial radius of curvature R 0 changes to the radius of curvature R c after the compressive deformation. In this case, the initial radius of curvature R 0 is, for example, the following formula (1 ′): And the strain ε of the metal tube 1 and R t or R c.
The relationship with (positive for tension, negative for compression) is, for example, the following (1tc) formula: However, D: inner diameter of metal tube 1 d: outer diameter of optical fiber-2 L: length of metal tube 1 L f : length of optical fiber-2
【００３４】一方、光ファイバ−の曲率半径と光伝送損
失量との間には、例えば、下記（４）式： α ≒８０Ｒ-1.9 --------------------------------------- （４） 但し、 Ｒ：曲率半径（ｍｍ） α：光伝送損失量（ｄＢ） の関係がある。光ファイバ−歪みセンサ−を測定対象物
に溶接して取り付け、測定対象物が変形した場合の光伝
送損失量の変化を測定し、（１tc）および（４）式に基
づき、金属管１の歪みを算出することによって、測定対
象物の歪みおよび変形量を算定する。On the other hand, between the radius of curvature of the optical fiber and the amount of optical transmission loss, for example, the following equation (4): α ≈80R -1.9 -------------------- ------------------------ (4) However, there is a relation of R: radius of curvature (mm) α: amount of optical transmission loss (dB). The optical fiber-strain sensor is attached to the measurement object by welding, the change of the optical transmission loss amount when the measurement object is deformed is measured, and the strain of the metal tube 1 is calculated based on the equations (1tc) and (4). By calculating, the strain and deformation amount of the measurement object is calculated.
【００３５】図５は、この発明の光ファイバ−歪みセン
サ−の一実施例の使用方法を説明する図である。同図に
おいて、光ファイバ−歪みセンサ−１’はステンレス製
固定フランジ３にスポット溶接され、そして、上記固定
フランジ３は測定対象構造物であるパイプライン４にス
ポット溶接されている。光ファイバ−歪みセンサ−１’
の一端から導出された光ファイバ−２’の端部には、コ
ネクタ−５を介して光源６に接続され、そして、光ファ
イバ−歪みセンサ−１’の他端から導出された光ファイ
バ−２’の端部には、別のコネクタ−５を介してパワ−
メ−タ−７に接続されている。FIG. 5 is a diagram for explaining a method of using an optical fiber-strain sensor according to an embodiment of the present invention. In the figure, the optical fiber-strain sensor-1 'is spot-welded to the stainless steel fixed flange 3, and the fixed flange 3 is spot-welded to the pipeline 4 which is the structure to be measured. Optical Fiber-Strain Sensor-1 '
To the light source 6 via the connector-5, and to the end of the optical fiber-2 'led out from the other end of the optical fiber-2 strain sensor-1'. At the end of ', power is supplied via another connector-5.
It is connected to the meter 7.
【００３６】このように構成された装置において、パイ
プライン４に発生した歪みに応じて金属管１に歪みが発
生し、これにより生じる光ファイバ−２の曲率半径の変
化により、光源６から発せられた光の光伝送損失量がパ
ワ−メ−タ−７によって測定される。そこで、光ファイ
バ−の曲率半径と光伝送損失量との間の関係式：（４）
式より光ファイバ−の曲率半径を算定し、次いで、上記
（１tc）式に基づき、金属管１の歪みを算定し、パイプ
ラインの歪みを求める。In the thus constructed apparatus, the metal tube 1 is distorted in response to the distortion generated in the pipeline 4, and the change in the radius of curvature of the optical fiber-2 caused by this causes the light source 6 to emit the distortion. The optical transmission loss of the emitted light is measured by the power meter 7. Therefore, the relational expression between the radius of curvature of the optical fiber and the amount of optical transmission loss: (4)
The radius of curvature of the optical fiber is calculated from the equation, and then the strain of the metal tube 1 is calculated based on the equation (1tc) to obtain the strain of the pipeline.
【００３７】光伝送損失量の測定方法としては、パワ−
メ−タ−７による透過光を用いる方法の他、ＯＴＤＲ装
置（光パルス試験器）による後方散乱光を用いる方法で
もよい。また、センサ−部分以外の光ファイバ−２に
は、金属管に内接して挿入された光ファイバ−をそのま
ま用いてもよいし、また、他の材料で被覆された光ファ
イバ−を用いてもよい。As a method for measuring the amount of optical transmission loss, a power
Besides the method of using the transmitted light from the meter 7, a method of using the backscattered light from the OTDR device (optical pulse tester) may be used. Further, as the optical fiber-2 other than the sensor part, an optical fiber inserted inscribed in a metal tube may be used as it is, or an optical fiber coated with another material may be used. Good.
【００３８】図６は、図５に示したこの発明による光フ
ァイバ−歪みセンサ−の使用方法によって、パイプライ
ンの歪みを測定した結果の一例を示すグラフである。パ
イプラインの変形は圧縮変形である。ここで使用した光
ファイバ−歪みセンサ−１’は、金属管１の内径
（Ｄ）：０．７ｍｍ、光ファイバ−２の外径（ｄ）：
０．２５ｍｍ、金属管１の長さ（Ｌ）：２００ｍｍ、光
ファイバ−２の長さ（Ｌf ）：２００．６ｍｍのもので
ある。FIG. 6 is a graph showing an example of the result of measuring the strain of the pipeline by the method of using the optical fiber-strain sensor according to the present invention shown in FIG. The deformation of the pipeline is a compression deformation. The optical fiber-strain sensor-1 'used here has an inner diameter (D) of the metal tube 1 of 0.7 mm and an outer diameter (d) of the optical fiber-2:
0.25 mm, the length (L) of the metal tube 1 is 200 mm, and the length (L f ) of the optical fiber-2 is 200.6 mm.
【００３９】図６において、縦軸は光伝送損失量を、横
軸はパイプラインの歪みを示す。同図より、この実施例
における歪みの測定量は０〜０．８％であったことを示
している。また、センサ−感度（ｓ）は、０．５２ｄｂ
／％である。In FIG. 6, the vertical axis represents the amount of optical transmission loss and the horizontal axis represents the distortion of the pipeline. From the figure, it is shown that the measured amount of strain in this example was 0 to 0.8%. Moreover, the sensor-sensitivity (s) is 0.52 db.
/%.
【００４０】このように、歪みの測定範囲およびセンサ
−感度を自由に設定することができる光ファイバ−歪み
センサ−によって、光伝送損失量から構造物の歪みおよ
び変形量を求めることができ、また、測定対象物が鋼構
造物の場合には、この光ファイバ−歪みセンサ−を溶接
により容易に且つ確実に取り付けることができる。この
発明の光ファイバ−歪みセンサ−を用いる測定系は、図
５に示した構成に限られるものではない。また、この発
明の金属管被覆光ファイバ−の測定対象物への取付方法
については、溶接による方法に限られず、金属管および
測定対象物の材質に応じて接着等を適宜採用することが
できる。As described above, the strain measurement range and the sensor--the optical fiber whose strain can be freely set--the strain sensor--can determine the strain and the deformation amount of the structure from the optical transmission loss amount. When the measurement target is a steel structure, the optical fiber-strain sensor can be easily and surely attached by welding. The measurement system using the optical fiber-strain sensor of the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. Further, the method of attaching the metal tube-coated optical fiber of the present invention to the measurement object is not limited to the welding method, and adhesion or the like can be appropriately adopted depending on the materials of the metal tube and the measurement object.
【００４１】[0041]
【発明の効果】上述したように、この発明によれば、構
造物の測定対象物の歪み量および変形量を測定する場
合、特に、： （１）光ファイバ−歪みセンサ−の製造時に、金属管の
長さと内径および金属管内部の光ファイバ−の外径と長
さを自在に調整することで、歪み量測定範囲およびセン
サ−感度を自由に設定することができる。 （２）金属管内の光ファイバ−は、金属管の変形に対応
して、自在に曲率半径が変化するので、金属管が固定さ
れた構造物の変形は、光ファイバ−の曲率変化による光
伝送量の変化となって示され、定量的な評価を精度よく
行なうことができる。 （３）構造物への光ファイバ−歪みセンサ−の取付けに
ついては、構造物が鋼製であれば、溶接を用いることが
できるため、確実、且つ、容易に行なうことができる。 という効果が得られる光ファイバ−歪みセンサ−を提供
することができ、工業上極めて有用な効果がもたらされ
る。As described above, according to the present invention, when measuring the strain amount and the deformation amount of the object to be measured of the structure, in particular: (1) When manufacturing the optical fiber-the strain sensor- By freely adjusting the length and inner diameter of the tube and the outer diameter and length of the optical fiber inside the metal tube, the strain amount measuring range and the sensor sensitivity can be freely set. (2) Since the radius of curvature of the optical fiber in the metal tube changes freely in response to the deformation of the metal tube, the deformation of the structure to which the metal tube is fixed causes the optical transmission due to the change in the curvature of the optical fiber. It is shown as a change in quantity, and quantitative evaluation can be performed accurately. (3) If the structure is made of steel, welding can be used to attach the optical fiber-strain sensor to the structure, so that it can be performed reliably and easily. It is possible to provide an optical fiber-a strain sensor-which can obtain the above effect, and bring an extremely useful effect industrially.
【図１】この発明の光ファイバ−歪みセンサ−の一実施
態様を示す概略縦断面図である。FIG. 1 is a schematic vertical sectional view showing an embodiment of an optical fiber-strain sensor of the present invention.
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.
【図３】この発明の光ファイバ−歪みセンサ−が長さ方
向に引張変形した場合の、センサ−の初期状態に対する
変形後状態を示す概略縦断面図である。FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view showing a post-deformation state of the optical fiber-strain sensor-of the present invention when the strain sensor is tensile-deformed in the length direction with respect to the initial state of the sensor.
【図４】この発明の光ファイバ−歪みセンサ−が長さ方
向に圧縮変形した場合の、センサ−の初期状態に対する
変形後状態を示す概略縦断面図である。FIG. 4 is a schematic vertical cross-sectional view showing a post-deformation state of the optical fiber-strain sensor of the present invention in a longitudinal direction when the sensor is compression-deformed with respect to an initial state.
【図５】この発明の光ファイバ−歪みセンサ−の一実施
例の使用方法を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a method of using an optical fiber-strain sensor according to an embodiment of the present invention.
【図６】図５に示した方法によって、パイプラインの歪
み量を測定した結果の一例を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing an example of a result of measuring the strain amount of the pipeline by the method shown in FIG.
【図７】従来の光ファイバ−歪みセンサ−の一例を示す
概略斜視図である。FIG. 7 is a schematic perspective view showing an example of a conventional optical fiber-strain sensor.
【図８】図７に示した光ファイバ−歪みセンサ−をシス
テム化した一例の説明図である。8 is an explanatory diagram of an example of systematization of the optical fiber-strain sensor shown in FIG.
Ｌ センサ−長 Ｔ 引張力 Ｃ 圧縮力 Ｐ 初期のスパイラルピッチ Ｐt 引張変形後のスパイラルピッチ Ｐc 圧縮変形後のスパイラルピッチ １ 金属管 １’ 光ファイバ−歪みセンサ− ２ 光ファイバ− ２’ 光ファイバ−（光ファイバ−歪みセンサ−から導
出された） ３ 固定フランジ ４ パイプライン ５ コネクタ− ６ 光源 ７ パワ−メ−タ− ８ パイプ ９ 従来の光ファイバ−歪みセンサ− １０ 集光レンズL sensor - length T tension C compressive force P initial spiral pitch P t tensile deformed spiral pitch P spiral pitch 1 metal pipe 1 after c compression deformation 'optical fiber - strain sensors - 2 optical fibers - 2' optical fiber -(Derived from optical fiber-strain sensor) 3 Fixed flange 4 Pipeline 5 Connector-6 Light source 7 Power meter 8 Pipe 9 Conventional optical fiber-Strain sensor-10 Condenser lens
Claims (5)
スパイラル状に形成された光ファイバ−とからなること
を特徴とする光ファイバ−歪みセンサ−。1. An optical fiber-strain sensor, comprising a metal tube and an optical fiber formed in a spiral shape so as to be in close contact with an inner peripheral surface of the metal tube.
−の製造方法であって、 前記光ファイバ−歪みセンサーの所望の歪み測定範囲お
よびセンサー感度が得られるように、 前記金属管の長さ、前記金属管の内径、前記光ファイバ
−の長さ、前記光ファイバ−の直径、前記金属管の歪
み、前記光ファイバ−の曲率半径および前記光ファイバ
−の光伝送損失量との間で成り立つ関係式に基づき、 前記金属管の長さ、前記金属管の内径、前記光ファイバ
−の長さおよび前記光ファイバ−の直径を決定すること
を特徴とする、光ファイバ−歪みセンサーの製造方法。2. The method of manufacturing an optical fiber-strain sensor according to claim 1, wherein the length of the metal tube is such that a desired strain measurement range and sensor sensitivity of the optical fiber-strain sensor can be obtained. , The inner diameter of the metal tube, the length of the optical fiber, the diameter of the optical fiber, the strain of the metal tube, the radius of curvature of the optical fiber, and the optical transmission loss amount of the optical fiber. A method for manufacturing an optical fiber-strain sensor, characterized in that a length of the metal tube, an inner diameter of the metal tube, a length of the optical fiber and a diameter of the optical fiber are determined based on a relational expression.
−の製造方法であって、 前記光ファイバ−歪みセンサーの所望の歪み測定範囲お
よびセンサー感度が得られるように、 前記金属管の長さ、前記金属管の内径、前記光ファイバ
−の長さ、前記光ファイバ−の直径、前記金属管の歪
み、前記光ファイバ−の曲率半径および前記光ファイバ
−の光伝送損失量との間で成り立つ関係式に基づき、 前記金属管の長さ、前記金属管の内径および前記光ファ
イバ−の初期曲率半径を決定することを特徴とする、光
ファイバ−歪みセンサーの製造方法。3. The method for manufacturing an optical fiber-strain sensor according to claim 1, wherein the length of the metal tube is such that a desired strain measurement range and sensor sensitivity of the optical fiber-strain sensor can be obtained. , The inner diameter of the metal tube, the length of the optical fiber, the diameter of the optical fiber, the strain of the metal tube, the radius of curvature of the optical fiber, and the optical transmission loss amount of the optical fiber. A method for manufacturing an optical fiber-strain sensor, characterized in that a length of the metal tube, an inner diameter of the metal tube and an initial radius of curvature of the optical fiber are determined based on a relational expression.
金属管の一端から他端に向けて前記金属管の内周面に密
着させてスパイラル状に形成させつつ挿入し、前記金属
管の前記他端において前記光ファイバ−の挿入の先端を
受け止め、前記光ファイバ−の挿入の後端を前記金属管
の前記一端で押し止め、このようにしてスパイラル状に
形成される前記光ファイバ−の初期曲率半径を目標の設
計値に調節することによって、前記金属管内部にスパイ
ラル状に形成された前記光ファイバ−を内接させること
を特徴とする、光ファイバ−歪みセンサ−の製造方法。4. An optical fiber having a predetermined length is inserted from the one end to the other end of a metal pipe having a predetermined length while closely adhering to the inner peripheral surface of the metal pipe to form a spiral shape. The other end of the tube receives the tip of the insertion of the optical fiber, and the rear end of the insertion of the optical fiber is pressed by the one end of the metal tube, and the optical fiber thus formed in a spiral shape. A method for manufacturing an optical fiber-strain sensor, wherein the optical fiber formed in a spiral shape inside the metal tube is inscribed by adjusting the initial radius of curvature of-to a target design value. .
−を、測定対象物の表面に対して溶接によって取り付
け、このようにして取り付けられた前記光ファイバ−歪
みセンサ−を用いて前記測定対象物の歪みを測定するこ
とを特徴とする光ファイバ−歪みセンサ−を用いた構造
物の歪み測定方法。5. The optical fiber-strain sensor according to claim 1 is attached to a surface of an object to be measured by welding, and the optical fiber-strain sensor thus installed is used to measure the object to be measured. A method for measuring strain of a structure using an optical fiber-strain sensor, which is characterized by measuring strain of a substance.
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|---|---|---|---|
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